X 線天文学と 宇宙の高エネルギープラズマ 名古屋大学 KMI 現象解析研究センター 松本浩典 金沢大学集中講義 1.

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1 X 線天文学と 宇宙の高エネルギープラズマ 名古屋大学 KMI 現象解析研究センター 松本浩典 金沢大学集中講義 1

2 通常の天文学 ( 乙女座銀河団 ) 2

3 金沢大学集中講義 X 線でみると … 3

4 金沢大学集中講義 目で見る世界と X 線の世界 銀河団 = 銀河の集団銀河団 = 数千万度の火の玉 世界観が変わった ! ©SDSS©RASS 4

5 集中講義の内容 X 線、 X 線放射過程 超新星残骸プラズマ 銀河団プラズマ 天の川銀河中心プラズマ 金沢大学集中講義 5

6 講義にあたって 金沢大学集中講義 6 講義中の質問、大歓迎です。 スライド中心の講義です。 ペースが早過ぎるときは、 遠慮なく言ってください。

7 金沢大学集中講義 7 X 線について

8 電磁波 金沢大学集中講義 8 http://www.astro.isas.jaxa.jp/xjapan/xrayintro/light.html

9 X線X線 金沢大学集中講義 9 http://www.astro.isas.jaxa.jp/xjapan/xrayintro/light.html X 線光子 E = 0.1keV ～ 100keV X 線天文学の慣習 軟 X 線 : E 10keV

10 エネルギーの単位 金沢大学集中講義 10 eV: エレクトロンボルト ( 電子ボルト ) +1V 0V e 1V の電位差で電子を 加速したときに、電 子が得るエネルギー

11 次元解析 金沢大学集中講義 11 E = hν ～ kT T ～ 10 4 K×[E/1eV]

12 X線X線 金沢大学集中講義 12 http://www.astro.isas.jaxa.jp/xjapan/xrayintro/light.html 比較 : ボーア半径 0.5 Å X 線は原子と直接相互作用 10 Å 0.1 Å

13 X 線・ガンマ線と物質の相互作用 金沢大学集中講義 13 炭素原子 1barn=10 -24 cm 2 X-ray data Booklet http://xdb.lbl.gov/ 1. 光電効果 2. 弾性散乱 3. コンプトン散乱 4. 対生成

14 反応の断面積 金沢大学集中講義 14 光にとって、的はどのぐらいの大きさなのか。 反応を起こした光子数は、的の大きさを表す Flux F

15 断面積 金沢大学集中講義 15

16 光電効果 金沢大学集中講義 16 γ 光子は消滅。電子飛び出す ( 光電子 ) 。

17 光電効果 金沢大学集中講義 K edge 光子 E>K edge … K 殻電子飛び出す 17

18 弾性散乱 金沢大学集中講義 18 γ 光子の E 変化なし。電子飛び出ない。

19 コンプトン散乱 ( 非弾性散乱 ) 金沢大学集中講義 19 γ 光子 E 減少。電子飛び出る。

20 コンプトン散乱 ( 非弾性散乱 ) 金沢大学集中講義 20

21 対生成 金沢大学集中講義 21 γ 光子消滅。電子・陽電子が飛び出る。

22 対生成 金沢大学集中講義 22

23 重い荷電粒子 ( 陽子 etc) と物質の相互作用 金沢大学集中講義 23 電離損失 物質を電離しながらエネルギーを失う。

24 Bethe-Bloch 電離損失公式 金沢大学集中講義 24 定性的導出 W.R. Leo “Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments” もっと厳密な式は、例えば Review of Particle Physics http://pdg.lbl.gov/index.html

25 色々な粒子の電離損失 金沢大学集中講義 25 W.R. Leo “Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments”

26 その他 重たい荷電粒子 – チェレンコフ放射 入射粒子 V > c/n (n: 物質屈折率 ) 軽い荷電粒子 – 電離損失 軽いのでジグザグ運動。 同種粒子の散乱 ( 電子の場合 ) – 制動放射 金沢大学集中講義 26

27 宇宙の観測 金沢大学集中講義 27 H.Bradt, “Astronomy Methods” 地球大気による光の減衰

28 電波の観測 金沢大学集中講義 28 大気減衰なし。ミリ波だと水分子が吸収。

29 赤外線の観測 金沢大学集中講義 29 水、酸素などの分子が吸収。

30 可視光の観測 金沢大学集中講義 30 ( 奇跡的に？ ) 大気吸収がない。

31 紫外線の観測 金沢大学集中講義 31 大気 ( 窒素・酸素など ) による光電吸収

32 X 線の観測 金沢大学集中講義 32 大気による光電吸収 … 大気圏外で観 測

33 ガンマ線の観測 金沢大学集中講義 33 大気によるコンプトン散乱

34 大気圏外での観測 金沢大学集中講義 34 ロケット 高度～ 100km 数 10 分しか観測できない。 人工衛星 高度 >500km ( 例 : すざく衛星 …500km, 1 周 100 分 Chandra … 16000~139000km, 1 周 64 時間 )

35 Ｘ線天文学のはじまり 金沢大学集中講義 35 X 線天文学は～ 50 歳

36 1962 年 ASE-MIT のロケット実験 36 Space Science Reviews, 1965, 4, 151 ガイガー カウンター 自転 金沢大学集中講義

37 太陽系外 X 線源の発見 金沢大学集中講義 37 Sco X-1, Cosmic X-ray Background

38 金沢大学集中講義 38 X 線放射過程

39 熱的放射と非熱的放射 熱的放射 : 電子がマクスウェル分布 – 代表例 : 黒体放射、光学的に薄いプラ ズマからの放射 X 線スペクトルに exp(-E/kT) の曲がり 非熱的放射 : 電子が power-law 分布 – 代表例 : シンクロトロン放射 X 線スペクトルも power-law 金沢大学集中講義 39

40 Specific intensity I(ν, Ω) 金沢大学集中講義 40 単位は、例えば [dE] = erg [I] = erg /cm 2 /s/str/Hz ある面 ( 法線 ) を、ある方向 (Ω) へ通過する光線 ( 振動数 ν) のエネルギー

41 フラックス 金沢大学集中講義 41 単位は例えば、 [F(ν)] = erg/s/cm 2 /Hz

42 光度 (Luminosity) 金沢大学集中講義 42 天体が振動数 ν の光で全方向に放射し ているエネルギー。 L(ν) 単位は例えば [L(ν)] = erg/s/Hz

43 光度とフラックス 金沢大学集中講義 43 フラックス F(ν) L(ν) もし天体が等方的に放射していたら、 L(ν) = 4πD 2 F(ν) 距離 D 多くの場合、等方放射を仮定して、フ ラックスから光度を推定。

44 金沢大学集中講義 44 熱的 X 線 光学的に厚いプラズマ  黒体放射 光学的に薄いプラズマ  制動放射、特性 X 線

45 光学的に厚い天体 金沢大学集中講義 45 光子が抜け出てくるまで、何度も物質と衝突。 黒体放射

46 黒体放射のスペクトル 金沢大学集中講義 46 H. Bradt Astronomy Methods

47 黒体放射フラックススペクトル 金沢大学集中講義 47 kT=1keV kT=3keV kT=10keV

48 X 線を出す物体の温度 金沢大学集中講義 48 数百万度以上でないと X 線は出ない。

49 黒体放射の例 中性子星表面からの X 線 – kT~0.1keV 降着円盤 – 多温度の黒体放射の重ね合わせ 金沢大学集中講義 49

50 光学的に薄い場合 金沢大学集中講義 50 発生した光子が、そのまま出てくる 熱的制動放射

51 連続成分 : 熱的制動放射 51 高温のため、プラズ マ状態 電子は、マクスウェ ルボルツマン分布 電子が、イオンの電 場で曲げられて、 X 線 放出 金沢大学集中講義

52 熱的制動放射 52 Emissivity = 単位体積あたりの放射 率 スペクトル (erg s -1 cm -3 ) (erg s -1 cm -3 Hz -1 ) 詳細は、例えば Rybicki & Lightman “Radiative Processes in Astrophysics” 金沢大学集中講義

53 定性的理解 金沢大学集中講義 53 Emissivity (erg s -1 cm -3 )

54 スペクトルの例 金沢大学集中講義 54 kT=1keV kT=3keV kT=10keV

55 輝線 : 特性 X 線 金沢大学集中講義 55 γ 空席が発生 衝突で励起 光電効果 特性 X 線

56 輝線 : 特性 X 線 金沢大学集中講義 56 γ 特性 X 線のエネルギー どの殻からどの殻 へ落ちるか。 原子内のその他の 電子の状態

57 特性 X 線の呼称 金沢大学集中講義 57 ©X-RAY DATA BOOKLET 微細構造も含めて Kα 線 L 殻  K 殻 Kβ 線 M 殻  K 殻 Lα 線 M 殻  L 殻 Lβ 線 N 殻  L 殻 など

58 電子が出る時もある 金沢大学集中講義 58 空席が発生 衝突で励起 光電効果 オージェ電子

59 特性 X 線を出す確率 ( 蛍光収率 ) 金沢大学集中講義 59 ©X-RAY DATA BOOKLET Fe Z=26

60 特に重要な特性 X 線 金沢大学集中講義 60 6.4keV 線 中性 Fe Kα 線 6.7keV 線 He 状イオン Fe Kα 線 6.9keV 線 H 状イオン Fe Kα 線 Koyama et al. 2007, PASJ, 59, 245 例 : 天の川銀河中心 X 線

61 どんなイオンになっているか 金沢大学集中講義 61 Seward, F. & Charles. P. “Exploring the X-ray Universe”

62 二電子性再結合 金沢大学集中講義 62 ν この場合は、ヘリウム状イオンの Kα 線よ り、少しだけエネルギーの低い X 線が出 る。 サテライト線

63 連続成分 : free-bound 放射 金沢大学集中講義 63 γ 自由電子が捕まった場合

64 Free-bound 放射 金沢大学集中講義 64 E 0 電子の 運動 E の範囲 E 光子数 -Eb Eb スペクトル 電子の運動 E の範囲 F-B 放射からも温度がわかる。

65 光学的に薄い高温プラズマの X 線放射 金沢大学集中講義 65 連続成分 制動放射、 FB 遷移 輝線成分 サテライト線なども全て考慮 X 線天文業界でメジャーなプラズマモデルは、 MEKAL 、 APEC 、 Raymond-Smith など。

66 プラズマ X 線放射モデルのパラメター 金沢大学集中講義 66

67 太陽組成比の例 金沢大学集中講義 67 X 線天文で良く使う、 Anders & Grevesse Anders E. & Grevesse N. (1989, Geochimica et Cosmochimica Acta 53, 197) ( 代表的なものだけ )

68 等価幅 金沢大学集中講義 68 E(eV) I ELEL 等価幅 ライン強度 I L erg/s 連続線強度 I C (E L ) erg/s/eV 等価幅 EW = I L /I(E L ) eV

69 等価幅とアバンダンス 金沢大学集中講義 69 連続成分強度 I C (E L ) ∝ n e n p ライン強度 I L ∝ n e n ion 等価幅はアバンダンスを反映

70 APEC モデルによる計算例 金沢大学集中講義 70 アバンダンス 1 solar kT=1keV kT=3keV kT=10keV

71 6~7keV の鉄の特性 X 線あたり 金沢大学集中講義 71 kT=1keV kT=3keV kT=10keV 6.7keV 輝線は、 多くの 微細構造線 サテライト 線 の混合

72 1keV あたりを拡大 金沢大学集中講義 72 kT=1keV kT=3keV kT=10keV kT=1keV ライン放射 の寄与が大。 主に鉄。

73 高温プラズマの cooling curve 金沢大学集中講義 73 Seward, F. & Charles. P. “Exploring the X-ray Universe”

74 光学的に薄い高温プラズマ放射の例 超新星残骸 楕円銀河 銀河団 星のコロナ 金沢大学集中講義 74 などなど、枚挙にいとまがない。

75 金沢大学集中講義 75 非熱的 X 線 代表例 : シンクロトロン放射

76 Power-law 型スペクトル 金沢大学集中講義 76 非熱的な放射の場合、電子のエネルギー 分布は power-law 型をしている場合が多い。 power-law を生みだす機構 … 例えばフェルミ加速 Log E Log N E N

77 シンクロトロン放射 金沢大学集中講義 77 相対論的電子が、 磁場に巻きついて 放射 http://www.isas.ac.jp/ISASnews/No.201/micro.html

78 サイクロトロン振動数 金沢大学集中講義 78 B p ☉ 電子 ωΔt 電子が遅い時 電子が相対論的

79 シンクロトロン周波数 金沢大学集中講義 79 定性的 詳しくは

80 粒子の速度が遅いとき ( サイクロトロン放 射 ) 金沢大学集中講義 80 観測者が見る電場 周波数分布 ω/ω B t Rybicki & Lightman “Radiative Processes in Astrophysics”

81 粒子が中間速度 金沢大学集中講義 81 観測者が見る電場 周波数分布 ω/ω B

82 粒子が相対論的 ( シンクロトロン放射 ) 金沢大学集中講義 82 観測者が見る電場 周波数分布 ω/ω B ωc/ωB

83 電気双極子放射 金沢大学集中講義 83

84 1 個の電子のシンクロトロン放射 金沢大学集中講義 84

85 シンクロトロン放射のスペクトル 金沢大学集中講義 85 放射スペクトルも power-law 。 べき Γ : photon index と呼ぶ。

86 Power-law 放射の定義の違い 金沢大学集中講義 86 業界 ( 波長 ) により定義が違うことがある。

87 シンクロトロン X 線放射の例 パルサー風星雲 活動銀河核のジェット 超新星残骸 金沢大学集中講義 87 などなど

88 X 線放射過程は他にもたくさん 荷電交換反応 非熱的電子による低エネルギー光子の 逆コンプトン散乱 熱的電子による低エネルギー光子の逆 コンプトン散乱 非熱的電子による制動放射 電子が Power-law 分布でない非熱的放射 金沢大学集中講義 88 などなど。